智能掘进工作面虚拟仿真实验

智能掘进工作面虚拟仿真系统通过理论与实践、课内与课外、现实与虚拟相结合,为培养学生综合实践能力和科研创新能力发挥着重要作用。近年来,随着煤炭技术的突飞猛进,普通实验室条件已经难以满足课程的实验教学要求。同时,因为煤矿安全生产责任重大,学生难以到达现场参观学习,制约了学生对相关内容的学习和实践。为此,学院遵循“能实不虚,虚实结合”的原则开发智能掘进工作面虚拟仿真系统,让学生在虚拟环境下学习掌握真实煤矿智能掘进工作面工作环境、设备、配套方式、安全操作流程、关键结构组成及功能等。增强学生综合知识能力和实践创新能力。

上网条件及浏览器要求

本实验基于虚拟仿真实验平台进行,本地电脑需要备Google Chrome 55.0以上版本、Firefox 50.0以上版本等浏览器,电脑能上网。

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三维浏览及操作

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界面描述

进入智能掘进工作面后,仿真系统自动弹出“欢迎来到XXXXX智能掘进工作面虚拟仿真实验”,如图1所示。

                                                                 图1 欢迎语界面


点击确定后可看到智能掘进工作面整体操作系统。此时会提示是否进行新手引导,如图2所示,首次进入本系统建议点击“接受”按钮,进行新手引导。接受新手引导后,程序会自动驱动,带你熟悉各个按钮的用途,以及相关操作。在引导过程中,点击空白区域任意位置,可进入下一步提示;点击“跳过”按钮,可结束引导过程。已经进行新手引导的同学可直接点击“取消”,跳过新手引导过程。

2 新手引导提示图

在准备阶段,操作者需要提前预习熟悉巷道掘进相关知识。


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大厅操作

       完成或跳过引导后进入大厅,大厅是三维空间,背景为巷道场景,放置着掘锚机;大厅中,可通过WASD”按键或鼠标左右键,控制视角移动和方向调整;但不能进行任何操作,点击设备无效果。

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掘进准备

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步骤1:

点击“掘进准备”按钮,进入实验后,自动弹出实验要求弹框,提示操作者进行本实验的具体要求,如图3所示。

①实验前充分预习相关知识,明确实验的内容,了解智能掘进工作面设备、安全操作流程等。

②按规定完成各项操作,使实验能顺利完成。

③实验中的具体操作应按任务书的规定进行,如遇问题要及时向指导教师提出。

④实验结束后完成实验报告。

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步骤2:

点击进入实验按钮后,关闭弹框,可以开始实验操作。

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步骤3:设备选择。


       进入实验后,页面弹出设备选择弹框;需要操作者根据实验目标中的巷道情况,选择掘进设备,如图4。这两种设备操作方式存在区别:综掘机:设备前移-使用综掘机摇臂破煤-装煤-煤炭运出-调整综掘机位置-二次进刀掘锚一体机:设备前移-破煤的同时支护-装煤-煤炭运出.

4掘进设备选择

掘进机(图5):悬臂式掘进机要同时实现剥离煤岩、装载运出、机器本身的行走调动以及喷雾除尘等功能,即集切割、装载、运输、行走于一身。它主要由切割机构、装载机构、运输机构、行走机构、机架及回转台、液压系统、电气系统、冷却灭尘供水系统以及操作控制系统等组成,总体结构。其中切割臂、回转台、装渣板、输送机、转载机、履带等为主要工作机构。


5 掘进机


掘锚机(图6):掘锚一体机可以实现煤、岩的破、装、运、支等工艺,包含配套采掘、装载、转运和支护设备组成。掘锚一体机是专门用于大断面煤巷掘进的掘锚一体化设备,具有掘锚平行作业、一次成巷、安全高效等特点,适用于中等顶板条件以上围岩条件,对提高成巷效率、降低工人劳动强度、提高掘进作业安全性等具有重大意义。掘锚机包括截割部、装载部、运输部、底盘、锚钻系统、临时支护、除尘系统、液压系统、电气系统、水冷喷雾系统、集中润滑系统等组成。

6 掘锚机



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步骤4:

敲帮问顶,就是用手镐或钢钎之类的工具,去敲击巷道周围已经暴露而未加支护的煤、岩层,使其发出声音,来探明周围岩体内部是否松动、断裂和离层的一种方法,如图7。掘进巷道在挖腿脚窝、上支架、打锚杆、铺钢带、铺网等工作之前工作工程中都必须做好敲帮问顶,实验具体操作如下:

1)打开工具箱,将手镐拖动至不同区域,发出敲击声音(当当或空空,空空音后下方出现浮煤和浮矸),

2)点击正常区域,发出敲击声音(“当当”),页面弹出提示语(提示语3秒后消失):“操作成功,围岩完整。”

3)点击浮煤区域,发出敲击声音(“空空”),页面弹出提示语(提示语3秒后消失):“发现浮煤,请进行清理。”

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步骤5:

清理浮煤和浮矸,出现浮煤区域后,打开设备栏,拖动钢钎至浮煤区域,浮煤消失,地面出现散落煤块;点击散落煤块后,煤块自动消失,并弹出提示语(提示语3秒后消失):煤块清理成功。


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步骤6:

     测量迎头的巷道宽度和高度尺寸(本处可以使用激光测距仪),打开工具箱,拖出激光测距仪放置到指定区域(具体位置待场景完善后确定),点击使用设备,弹出弹框展示测量数据迎头的宽度和高。
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步骤7

测量锚杆测量锚杆扭矩,打开工具箱,点击锚杆区域,弹出弹框展示测量数据,如下表2所示。


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步骤8:检查机器是否存在问题,具体操作如下:

①点击设备主体,弹出提示语(提示语3秒后消失):“设备外观基本情况检查正常”后进行下一步操作。

②点击设备截齿,弹出提示语(提示语3秒后消失):“设备截齿检查正常” 后进行下一步操作。

③点击电液控制装置,弹出提示语(提示语3秒后消失):“电液控制装置检查正常”后进行下一步操作。

④点击油箱,弹出提示语(提示语3秒后消失):“设备油位检查常。”后进行下一步操作。

步骤9:在实验过程中,操作者可随点击“交接完成”按钮,进行验证当前操作是否均已完成,若已完成,可打开答题页面进行答题,答题完成后可打开实验报告,查看实验成绩;若未完成弹出弹框,提示存在步骤尚未完成,如:“实验尚未完成,请继续完成:测量锚杆扭矩、检查机器。”。答题界面如图8所示。

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步骤9:

在实验过程中,操作者可随点击“交接完成”按钮,进行验证当前操作是否均已完成,若已完成,可打开答题页面进行答题,答题完成后可打开实验报告,查看实验成绩;若未完成弹出弹框,提示存在步骤尚未完成,如:“实验尚未完成,请继续完成:测量锚杆扭矩、检查机器。”。答题界面如图8所示。


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 开工割煤

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步骤10

进入实验场景后,页面上方出现提示语:“请点击司机,进行割煤操作。”,点击司机后闪动箭头消失,弹出设备控制面板,可切换操作车辆和割头。设备启动后,掘锚机可实现转向和前后行进;截割操作后启动后,割头开始运转,可以控制上下左右截割;启动装载机后,侧铲板、装载机开始运行。如图9所示。


9 截割操作界面

截割操作界面按钮功能如下:

点击正传/反转割头开始转动;

点击上升、下降、左移、右移等按钮,控制割头移动;

点击开始割煤,播放割煤动画。


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步骤11

割煤完成后,弹出弹框:“割煤完成,是否开始支护操作?”,点击“确定”后,跳转巷道支护场景,点击“否”后关闭弹框,停留当前页面。如图10所示。


10 割煤完成提示界面


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巷道支护

本阶段分为两个部分,临时支护和永久支护,在煤矿割接后依次进行。

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步骤12

在步骤11完成割煤操作后,根据窗口提示,选择开始支护。点击“临时支护”,进入场景后,页面弹出弹框展示此次支护实验要求,仔细阅读完毕后点击“进入实验”。


11 巷道临时支护实验要求


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步骤13

进入实验后,场景为已掘进完成,未搭建支护的场景,存在一位司机和一位副司机,点击司机或副司机可打开操作面进行相应支护工作。如图12所示的支护操作控制面板,具体操作如下:

①点击“上支架”,升起支架,支架升起前不能进行其他操作;

②点击“钢带放置”,将钢带放置到支架上;

③点击“金属网放置”,将金属网放置到支架上;

④点击“升支架”,上升支架,完成支护;

12 支护操作控制面板


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步骤14

在步骤13完成临时支护操作后,点击“巷道支护”按钮后,选择“永久支护”,进入场景后,页面弹出弹框展示此次支护实验要求,如图13所示。仔细阅读完毕后点击“进入实验”。

13 巷道临时支护实验要求


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步骤15

进入实验后,场景为已经搭建临时支护的场景,存在一位司机、几位矿工以及未放置的风筒;出现箭头指向司机,并弹出提示语“请点击司机,进行割煤操作。”;点击司机或矿工可打开操作面板,通过面板操作进行永久支护工作。具体操作如下:

①点击“启动”后,升起永久支护支架;

②点击展开或收起按钮调整支架位置,每次点击调整30°;

③锚杆支架垂直放置时,点击收起按钮,不能再收起支架,弹出提示语:“支架收起完成,无法继续收起。”;

④锚杆支架水平放置时,点击收起按钮,不能再收起支架,弹出提示语:“支架已完全展开,无法继续展开。”;

⑤点击“重新安装”,清空所有位置安装的锚杆,并弹出提示语(3秒后消失):“支护操作重置成功,请继续安装锚杆。”;

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步骤16

永久支护完成后,点击“支护完成”,系统会自动验证所有支护是否均已完成。验证后进入下一步。

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支护质量监测

本环节实验内容可分为两个部分:设备检测、矿压监测。

设备检测:对完成掘进、支护工作的设备进行检查;

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步骤17

关闭电源。进入实验场景后需要对设备进行检修,具体操作为:将待检修设备上一级开关停电闭锁:点击上级电源开关,点击后页面弹出提示语:“电源关闭成功!”即表示关闭成功。

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步骤18

检修掘进机各部件、加油、更换截齿等。具体操作如下:

①点击设备主体,弹出提示语(提示语3秒后消失):“设备外观基本情况检查正常。”后即可进行下一步操作。

②点击设备截齿,弹出提示语(提示语3秒后消失):“设备截齿更换成功。”后即可进行下一步操作。

③点击电液控制装置,弹出提示语(提示语3秒后消失):“电液控制装置检查正常。”后即可进行下一步操作。

④点击油箱,弹出提示语(提示语3秒后消失):“油量添加成功。”后即可进行下一步操作。


14 掘进机检修提示界面


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步骤19

检修刮板输送机、皮带输送机。具体操作如下:

①点击刮板输送机,弹出提示语(提示语3秒后消失):“刮板输送机运行正常。”后即可进行下一步操作。

②点击皮带输送机,弹出提示语(提示语3秒后消失):“皮带输送运行正常。”后即可进行下一步操作。

接下来进行矿压监测,矿压检测是对新增支护区域进行测量,若测量区域出现矿压异常情况,页面出现报警提示,需要操作者及时采取措施,若在一定时间内操作者未采取防护措施,隧道出现塌方,实验失败。

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步骤20

点击“工具箱”按钮,打开背包栏后巷道顶部出现高亮区域,拖动钻机至巷道顶部高亮位置,弹出弹框,如图15


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步骤21

选择正确孔深后弹框消失,若选择错误时页面会提示选择错误,这时需要重新选择孔深。

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步骤22

安装固锚器,具体操作如下:

①拖出深部基点锚固器至打孔位置,放置固锚器,取消孔高亮,固锚器高亮;

②拖动安装杆至固锚器位置,弹出提示“成功安装固锚器。”;

③每次点击固锚器,弹出刻度提示并将刻度记录到实验记录中。

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步骤23

矿压检测过程中,如遇到测点提示“矿压异常”操作者可点击工具箱,打开背包栏,拖出一个临时液压支护设备等防护工具放置到矿压异常区域(位置在测量点下方),设备放置后弹出提示:“支架放置成功!”即表示完成矿压检测。

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步骤24

若未采取防护措施或防护措施使用错误,15秒后巷道塌方,实验失败,可重新开始本环节实验。

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步骤25

操作过程中,可点击“检测完成”,进行验证(验证矿压监测和设备检测是否完成)实验未完成时根据提示继续进行操作,实验完成,弹出答题框,提交后展示正确答案,点击确定关闭弹框,并将结果保存到“实验记录”中;实验记录如下图17所示:

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完成实验报告

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步骤26

实验完毕后,点击“实验报告”按钮,进入实验报告填写如图18。提交实验报告后,弹出弹框:本环节实验结束,是否返回大厅。确定后,返回大厅;否定,则停留当前页面。至此,智能掘进工作面虚拟仿真实验全部结束。


18 实验报告


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